设计模式

概念

软件设计模式(Software Design Pattern)，又称设计模式，是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。它描述了在软件设计过程中的一些不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案。也就是说，它是解决特定问题的一系列套路，是前辈们的代码设计经验的总结，具有一定的普遍性，可以反复使用。

设计模式的本质是面向对象设计原则的实际运用，是对类的封装性、继承性和多态性以及类的关联关系和组合关系的充分理解。

正确使用设计模式具有以下优点。

• 可以提高程序员的思维能力、编程能力和设计能力。
• 使程序设计更加标准化、代码编制更加工程化，使软件开发效率大大提高，从而缩短软件的开发周期。
• 使设计的代码可重用性高、可读性强、可靠性高、灵活性好、可维护性强。

设计模式分类：

• 创建型模式：
  用于描述 “怎样创建对象”，它的主要特点是"将对象的创建与使用分离"。GOF（四人组）书中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者 等5种创建型模式。
• 结构型模式：
  用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构，GOF（四人组）书中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合 等7种结构型模式。
• 行为型模式：
  用于描述类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象无法单独完成的任务，以及怎样分配职责。GOF（四人组）书中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器 等11种行为型模式。

UML

统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是用来设计软件的可视化建模语言。它的特点是简单、统一、图形化、能表达软件设计中的动态与静态信息。UML 从目标系统的不同角度出发，定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、时序图、协作图、构件图、部署图 等9种图。

类图（Class diagram）是显示了模型的静态结构，特别是模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。类图不显示暂时性的信息。类图是面向对象建模的主要组成部分。

• 在软件工程中，类图是一种静态的结构图，描述了系统的类的集合，类的属性和类之间的关系，可以简化了人们对系统的理解；

• 类图是系统分析和设计阶段的重要产物，是系统编码和测试的重要模型。

类的表示方式：

在UML类图中，类使用包含类名、属性（field）和方法（method）且带有分割线的矩形来表示。

属性/方法名称前加的加号和减号表示了这个属性/方法的可见性，UM类图中表示可见性的符号有三种:

• +：表示public
• -：表示private
• #：表示protected

属性的完整表示方式是： 可见性 名称 ： 类型 [ = 缺省值]

方法的完整表示方式是： 可见性 名称 (参数列表) [ ： 返回类型]

注意：

• 中括号的内容表示是可选的
• 也有将类型放在变量名前面，放回值类型放在方法名前面

类和类之间关系的表示方式

关联关系

关联关系是对象之间的一种引用关系，用于表示一类对象与另一类对象之间的联系。关联关系是类与类之间最常用的一种关系，分为一般关联关系，聚合关系和组合关系。

关联又可以分为单向关联，双向关联，自关联。

单向关联：

在UML类图中单向关联用一个带箭头的实线表示，上图表示每个顾客都有一个地址，通过让Customer类持有一个类型为Address的成员变量类来实现。

双向关联：

所谓的双向关联就是双方各自持有对方类的成员变量。

在UML类图中，双向关联用一个不带箭头的直线表示。上图中在Customer类中维护一个List，表示一个顾客可以购买多个商品；在Product类中维护一个Customer类型的成员变量表示这个产品被那个顾客所购买。

自关联：

自关联在UML类图中用一个带有箭头且指向自身的线表示。

聚合关系：

聚合关系是关联关系的一种，是强关联关系，是整体和部分之间的关系。

聚合关系也是通过成员对象来实现的，其中成员对象是整体对象的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象而独立存在。

在UML类图中，聚合关系可以用带空心菱形的实线来表示，菱形指向整体。下图所示是大学和教师的关系图。

组合关系：

组合关系表示类之间的整体与部分的关系，但它是一种更强烈的聚合关系。

在组合关系中，整体对象可以控制部分对象的生命周期，一旦整体对象不存在，部分对象也将不存在，部分对象不能脱离整体对象而存在。

在UML类图中，组合关系用带实心菱形的实线来表示，菱形指向整体。

依赖关系：

依赖关系是一种使用关系，它是对象之间耦合度最弱的一种关联关系，是临时性的关联。在代码中，某个类的方法通过局部变量，方法的参数或者对静态方法的调用来访问另一个类（被依赖类）中的某些方法来完成一些职责。

在UML类图中，依赖关系使用带箭头的虚线来表示，箭头从使用类指向被依赖的类。

继承关系：

继承关系是对象之间耦合度最大的一种关系，表示一般与特殊的关系，是父类与子类之间的关系，是一种继承关系。

在UML类图中，泛化关系（继承关系）用带空心三角箭头的实线来表示，箭头从子类指向父类。在代码实现时，使用面向对象的继承机制来实现泛化关系。

实现关系：

实现关系是接口与实现类之间的关系。在这种关系中，类实现了接口，类中的操作实现了接口中所声明的所有的抽象操作。

在UML类图中，实现关系使用带空心三角箭头虚线来表示，箭头从实现类指向接口。

软件设计原则

在软件开发中，为了提高软件系统的可维护性和可复用性，增加软件的可扩展性和灵活性，程序员要尽量根据6条原则来开发程序，从而提高软件开发效率，节约软件开发成本和维护成本。

开闭原则：

对扩展开发，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。

想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类。

因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。

里式代换原则：

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。

里氏代换原则：任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。通俗理解：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。换句话说，子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。

如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

依赖倒转原则：

高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节（具体的实现类或子类），细节应该依赖抽象。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

接口隔离原则：

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

迪米特法则：

迪米特法则又叫最变知识原则。

只和你的直接朋友交谈，不跟"陌生人"说话（Talk only to your immediate friends and not to strangers）。其含义是：如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性。

迪米特法则中的“朋友"是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法。

合成复用原则：

合成复用原则是指:尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现，其次才考虑使用继承关系来实现。通常类的复用分为 继承复用 和 合成复用 两种。

继承复用虽然有简单和易实现的优点，但它也存在以下缺点：

• 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类，父类对子类是透明的所以这种复用又称为"白箱"复用。
• 子类与父类的耦合度高。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化，这不利于类的扩展与维护。
• 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的，在编译时已经定义，所以在运行时不可能发生变化。

采用组合或聚合复用时，可以将已有对象纳入新对象中，使之成为新对象的一部分，新对象可以调用已有对象的功能，它有以下优点：

• 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的，所以这种复用又称为"黑箱”复用。
• 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象。
• 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。

创建者模式：

创建型模式的主要关注点是"怎样创建对象? ”，它的主要特点是"将对象的创建与使用分离。

这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。

创建型模式分为：

• 单例模式
• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式
• 原型模式
• 建造者模式

单例模式：

单例模式（Singleton Pattern）是java中最简单的设计模式之一，这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式的结构：

单例模式主要有以下角色：

• 单例类。只能创建一个实例的类
• 访问类。使用单例类

单例模式的实现：

单例涉及模式类分为两种：

• 饿汉式：类加载时，单实例对象就被创建
• 懒汉式：类加载时，不会创建单实例对象，而是在首次使用该对象时才会创建

饿汉式实现方式：

静态变量实现方式：

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //在本类中创建本类对象
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

该方式在成员位置声明singleton类型的静态变量，并创建singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

静态代码块实现方式：

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    //声明Singleton类型的变量
    private static final Singleton instance;

    //在静态代码块中进行赋值
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

该方式在成员位置声明singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的静态变量实现基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

懒汉式实现方法：

线程不安全：

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    //声明Singleton类型的变量
    //只是声明了一个该类型的变量，并没有给该变量赋值
    private static Singleton instance;

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        //判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象
        //如果没有，创建并返回。如果没有就直接返回
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

线程安全：

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    //声明Singleton类型的变量
    //只是声明了一个该类型的变量，并没有给该变量赋值
    private static Singleton instance;

    //提供一个公共的访问方式
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        //判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象
        //如果没有，创建并返回。如果没有就直接返回
        if (instance == null) {
            //线程一等待，线程二拿到执行权，也会进入该判断中
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁：

再来讨论一下懒汉模式中加锁的问题，对于getInstance()方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    //声明Singleton类型的变量
    //只是声明了一个该类型的变量，并没有给该变量赋值
    //volatile 关键字：可以保证可见性和有序性
    private static volatile Singleton instance;

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        //如果instance的值不为null，不需要抢占锁，直接放回对象
        if (instance == null) {
            //给这个类加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                //第二次判断
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile关键字，volatile关键字可以保证可见性和有序性。

添加volatile关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

静态内部类：

静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的 属性/方法 被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被 static修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    //静态内部类， JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的 属性/方法 被调用时才会被加载，并初始化其静态属性
    private static final class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

说明：

第一次加载singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载 SingletonHolder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证singleton类的唯一性。

小结：静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

枚举方式：

枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式，枚举的写法非常简单，而且枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

存在的问题：

破环单例模式：

使上面定义的单例类(singleton)可以创建多个对象，枚举方式除外。有两种方式，分别是序列化和反射。

序列化反序列化：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            writeObject2File();
            readObjectFromFile();
            readObjectFromFile();
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //从文件中读取数据（对象）
    public static void readObjectFromFile() throws IOException, ClassNotFoundException {
        //创建输入流对象
        ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\deskBook\\a.txt"));
        //读取对象
        Singleton singleton = (Singleton) objectInputStream.readObject();
        System.out.println(singleton);
        //释放资源
        objectInputStream.close();
    }

    //向文件中写数据（对象）
    public static void writeObject2File() throws IOException {
        //获取Singleton对象
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        //创建对象输出流对象
        ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\deskBook\\a.txt"));
        //写对象
        objectOutputStream.writeObject(singleton);
        //释放资源
        objectOutputStream.close();
    }
}


//===========================================输出结果：
com.design.single.Singleton@27973e9b
com.design.single.Singleton@312b1dae
破环了单例模式

通过反射：

public class test {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InstantiationException, IllegalAccessException, InvocationTargetException {
        //获取字节码对象
        Class<Singleton> clazz = Singleton.class;
        //获取无参构造方法对象
        Constructor<Singleton> constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
        //取消访问检查
        constructor.setAccessible(true);

        //创建Singleton对象
        Singleton singleton = constructor.newInstance();
        Singleton singleton1 = constructor.newInstance();
        System.out.println("通过反射创建的对象是否是同一个对象：" + (singleton == singleton1));
    }
}

//===========================================输出结果：
通过反射创建的对象是否是同一个对象：false

解决问题：

序列化和反系列化方式破环单例模式的解决方法。

在Singleton类中添加readResolve() 方法，在反系列化时被反射调用，如果定义了这个方法，就直接方法该方法的值，如果没有定义就返回新new出来的对象。

public class Singleton {
    //私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    //静态内部类， JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的 属性/方法 被调用时才会被加载，并初始化其静态属性
    private static final class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    //当进行反序列化时，会自动调用该方法，将该方法的返回值直接返回。
    //在objectInputStream.readObject()中底层代码会判断是否有readResolve()这个方法，有就会自动调用该方法。
    public Object readResolve(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

反射方法破解单例模式的解决方法：

public class Singleton {
    //定义一个标识符
    private static boolean flag = false;

    //私有构造方法
    private Singleton() {
        //加锁防止多线程问题
        synchronized (Singleton.class) {
            //判断flag的值是否为真，如果为真，说明不是第一次访问，直接抛出异常
            if (flag) {
                throw new RuntimeException("单例模式不能创建多个对象");
            }
            //将标识标记为true
            flag = true;
        }
    }

    //静态内部类， JVM 在加载外部类的过程中，是不会加载静态内部类的，只有内部类的 属性/方法 被调用时才会被加载，并初始化其静态属性
    private static final class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

JDK中的Runtime类就是使用的单例模式。使用的是饿汉式-静态属性方法来实现的单例模式。

简单使用：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //获取Runtime类的对象
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        //调用runtime的exec方法，参数是一个终端命令
        Process exec = runtime.exec("ifconfig");
        //使用Process对象的获取输入流方法
        InputStream inputStream = exec.getInputStream();
        byte[] arr = new byte[1024 * 1024 * 100];
        //读取数据
        int len= inputStream.read(arr);
        //将读取到的数据打印到控制台
        System.out.println(new String(arr,0,len,"GBK"));
    }
}